[发明专利]陆地交通工具的驱动系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有用于驱动陆地交通工具的电机系统的陆地交通工具的驱动系统以及用来控制电机系统的控制装置。

背景技术

这类驱动系统会被利用在，例如，电动操作的车辆或者混合动力车辆上，如汽车、公交车、火车等，这些车辆行驶在陆地上的，并且通常被称为陆地交通工具或陆地交通车辆。这类车辆一般具有一个或者多个驱动轮，驱动轮是由驱动系统驱动的，可以让车辆或交通工具朝着预期的移动方向移动。例如，驱动所必须的电能是由内燃机带动发电机、通过燃料电池，蓄电池提供的，或者是通过这类装置的组合一起作为电源来提供的。电源与车辆的电机系统相连用以驱动的目的。电源的电能一般是供给包括电力电子设备在内的供电回路，比如说以两侧都具有变频器电路的电动中间电路的形式，该供电回路与电源及电机相连。车辆的电机由供应回路供应电能，以驱动一根或者多根驱动轴，驱动轴驱动车辆的被动轮。在大部分的应用中，驱动系统还可以实现能够回收能量的电刹车，以便将电能返回给供电回路。其它与供电回路相连的装置可以利用这个能量。比如说，它可以被存储在蓄电池中或者飞轮蓄电池中。

电操作车辆的驱动一般要求必须由具有双曲线特性的高扩展电能产生的机械动力。这类双曲线特性一般的特征是具有电力驱动装置的最高转速值和在低转速下的高扭矩，每一个特征都定义了双曲线特征点，其通过具有相等功率的双曲线相连。在机械驱动车辆中，比如说通过内燃机直接驱动的，这个功能就由手动或者自动变速箱或齿轮箱来取代了。在行驶电动车辆时，这个功能必须由电力驱动系统来承担，尤其是通过与电源及电机相连的电力电子设备的组合来实现。供应中间电路的变频器电路一般不是问题，可以针对各种目的进行优化。对于内燃机来说，越来越多地使用永磁发电机，永磁发电机与高效率的发动机直接集成在一起，并与主动或者被动变频器电路相连接。但是，发动机单元在这类驱动系统各种可能的应用与实现场合中都达到了其极限性能，尤其是在目前的机器大小，效率高低，以及关于最大电流及电压值下对电力电子设备的电力要求情况下。

在最近的技术发展水平中，如上所列，有各种类型的电机可以应用在电力驱动系统中。比如说，可以采用由变频器电路供电的永磁（PM）电机。PM可以提供非常高的扭矩/重量比，能够直接驱动，但是另一方面，它对电力电子设备的要求又非常高。因为感应电压（所谓的“电动势（EMF）”电磁力或者“反电动势”）与旋转的转速成正比，在最高速下会产生最高的电压，另一方面，在低速下的高的驱动扭矩需要大的电流。电力电子设备必须能够承受高速下的高压，并且能够为高扭矩提供大电流，这使得电力电子设备的功率需量很高并且非常昂贵。所谓的电角功率（electrical corner power）（最大电压乘以最大电流）与机械的角功率(corner power)（最大旋转速度乘以最大扭矩）是一致的。

这么高的角功率使得电力电子设备的功率需量非常高，也非常昂贵，因为它们必须能够为电机提供高电压以及高电流。另一方面，因为电机对最大电压与最大电流的需求并不是同时的，因此，电力电子设备提供的是以角功率计量的过安装，而不是驱动单元的标称功率（双曲线功率）。对电力电子设备的低要求相当于与标称功率相等的角功率，对电力电子设备的高要求相当于与最大扭矩乘以最大转速相等的角功率。在典型的应用中，这些极端值之间可能会有所不同，其因子在4-10之间。

关于永磁电机，电力电子设备的高要求一般都会随着电机绕数的增加而降低，但是会导致电机感应电压的升高。比如说，在700V的直流系统中，电机通常的配置为1500V的感应电压。大约从一半的转速开始，这些电机就必须在正确的相移下永久运行，以使终端的电压低于临界值，以能够控制电机的运行。这个可以通过所谓的有功功率电子设备的磁场减弱操作实现，并且通过额外的安全回路方式实现，该安全回路可以确保当电力电子设备不能实现的时候，电机依然可以进行操作，以避免系统的高电压荷载。这又让驱动系统变得比较昂贵，要求也比较高。

永磁电机在紧凑性方面的优化，同时其在部分荷载时的效率仅可能在一定的范围内，因为为了获得电机的高的扭矩/重量比，相应地就会要求强磁性，在部分荷载的时候，也会产生一个恒定的高损失。

其它已知的驱动系统会采用异步电机，并结合变频器电路。这个组合与双曲线特征非常吻合，使得对电力电子设备的要求也非常低。但是，异步电机提供非常低的扭矩/重量比，因此它就无法作为直接驱动使用。出于这个原因，在很多情况下，异步电机都会与变速齿轮结合使用，这会导致额外的转动损失。